Förstå kosmologi och dess inverkan

Kosmologi kan vara en svår disciplin att ta hand om, eftersom det är ett studieområde inom fysik som berör många andra områden. (Även om det i själva verket i dag är nästan alla studier inom fysik som berör många andra områden.) Vad är kosmologi? Vad gör de som studerar det (kallas kosmologer) egentligen? Vilka bevis finns det för att stödja deras arbete?

kosmologi är vetenskapens disciplin som studerar universums ursprung och eventuella öde. Det är närmast besläktat med de specifika områdena astronomi och astrofysik, men förra seklet har också fört kosmologin nära i linje med nyckelinsikter från partikelfysik.

Med andra ord når vi en fascinerande insikt:

Vår förståelse av modern kosmologi kommer från att ansluta beteendet hos största strukturer i vårt universum (planeter, stjärnor, galaxer och galaxkluster) tillsammans med de i minsta strukturer i vårt universum (grundläggande partiklar).

Studien av kosmologi är förmodligen en av de äldsta formerna av spekulativ undersökning av naturen, och den började någon gång i historien när en forntida människa tittade mot himlen, ställde frågor som följande:

• Hur kom vi för att vara här?
• Vad händer på natthimlen?
• Är vi ensamma i universum?
• Vad är de glänsande sakerna på himlen?

Du får idén.

De gamla kom med några ganska bra försök att förklara dessa. Huvud bland dessa i den västerländska vetenskapliga traditionen är de gamla grekernas fysik, som utvecklade en omfattande geocentrisk modell av universum som förfinades under århundradena fram till Ptolemaios tid, vid vilken tidpunkt kosmologin utvecklades verkligen inte under flera århundraden, förutom i några av detaljerna om hastigheterna för de olika komponenterna i systemet.

Nästa stora framsteg inom detta område kom från Nicolaus Copernicus 1543, då han publicerade sin astronomibok på sin dödsbädd (förutse att det skulle orsaka kontroverser med den katolska kyrkan) och redogjorde för bevisen för hans heliocentriska solmodell systemet. Den viktigaste insikten som motiverade denna omvandling i tänkande var tanken att det inte fanns någon verklig anledning att anta att jorden innehåller en grundläggande privilegierad position inom det fysiska kosmos. Denna förändring av antaganden är känd som Copernican princip. Copernicus heliocentriska modell blev ännu mer populär och accepterad baserat på Tycho Brahe-verk, Galileo Galilei, och Johannes Kepler, som samlade betydande experimentella bevis till stöd för den kopernikanska heliocentriska modellen.

Det var Sir Isaac Newton som emellertid kunde förena alla dessa upptäckter för att faktiskt förklara planetrörelserna. Han hade intuitionen och insikten att inse att rörelsen hos föremål som faller till jorden liknade rörelsen av föremål som kretsar runt jorden (i huvudsak faller dessa föremål ständigt runt om jorden). Eftersom denna rörelse var liknande, insåg han att den antagligen orsakades av samma kraft, som han kallade allvar. Genom noggrann observation och utveckling av ny matematik som kallas calculus och hans tre rörelselagar, Newton kunde skapa ekvationer som beskrev denna rörelse i olika situationer.

Även om Newtons tyngdelag fungerade för att förutsäga himmelrörelsen, fanns det ett problem... det var inte exakt klart hur det fungerade. Teorin föreslog att föremål med massa lockar varandra över rymden, men Newton kunde inte utveckla en vetenskaplig förklaring för den mekanism som tyngdkraften använde för att uppnå detta. För att förklara det oförklarliga, förlitade Newton sig på en generisk appell till Gud, i princip uppför sig objekt på detta sätt som svar på Guds perfekta närvaro i universum. Att få en fysisk förklaring skulle vänta i två århundraden, fram till ankomsten av ett geni vars intellekt kunde förmörka även Newtons.

Newtons kosmologi dominerade vetenskapen fram till början av det tjugonde århundradet då Albert Einstein utvecklade sin teori om allmän relativitet, som omdefinierade den vetenskapliga förståelsen av allvar. I Einsteins nya formulering orsakades tyngdkraften av böjning av 4-dimensionell rymdtid som svar på närvaron av ett massivt objekt, såsom en planet, en stjärna eller till och med en galax.

En av de intressanta konsekvenserna av denna nya formulering var att rymdtiden i sig inte var i jämvikt. I ganska kort ordning insåg forskare att den allmänna relativiteten förutspådde att rymdtiden antingen skulle expandera eller sammandras. Tro Einstein trodde att universum faktiskt var evigt, introducerade han en kosmologisk konstant i teorin, som gav ett tryck som motverkade expansionen eller sammandragningen. Men när astronomen Edwin Hubble så småningom upptäckte att universum faktiskt expanderade, insåg Einstein att han hade gjort ett misstag och tagit bort den kosmologiska konstanten från teorin.

Om universum expanderade är den naturliga slutsatsen att om du skulle spola tillbaka universum skulle du se att det måste ha börjat i en liten, tät klump av materia. Denna teori om hur universum började kallades Big Bang Theory. Detta var en kontroversiell teori under mitten av årtionden av det tjugonde århundradet, eftersom det tävlade om dominans mot Fred Hoyles stabilitetsteori. Upptäckten av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen 1965 bekräftade dock en förutsägelse som hade gjorts i förhållande till big bang, så det blev allmänt accepterat bland fysiker.

Även om han visade sig fel med teorin om stabil tillstånd, krediteras Hoyle den stora utvecklingen i teorin om stellär nukleosyntes, som är teorin om att väte och andra lätta atomer förvandlas till tyngre atomer i kärnkropparna som kallas stjärnor och spottas ut i universumet efter stjärnans död. Dessa tyngre atomer bildas sedan till vatten, planeter och slutligen liv på jorden, inklusive människor! Således är vi, i många onödiga kosmologers ord, bildade av stardust.

Hur som helst, tillbaka till universums utveckling. När forskarna fick mer information om universum och mer noggrant mätte den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, fanns det ett problem. När detaljerade mätningar gjordes av astronomiska data, blev det tydligt att begrepp från kvantum fysik behövs för att spela en starkare roll för att förstå de tidiga faserna och utvecklingen av universum. Detta fält av teoretisk kosmologi, även om det fortfarande är mycket spekulativt, har vuxit ganska bördigt och kallas ibland kvantkosmologi.

Kvantfysik visade ett universum som var ganska nära att vara enhetlig i energi och materia men inte var helt enhetlig. Alla fluktuationer i det tidiga universum skulle dock ha expanderat kraftigt under de miljarder år som universum expanderade... och svängningarna var mycket mindre än man kunde förvänta sig. Så kosmologer var tvungna att räkna ut ett sätt att förklara ett icke-enhetligt tidigt universum, men ett sådant endast extremt små svängningar.

Gå in i Alan Guth, en partikelfysiker som hanterade detta problem 1980 med utvecklingen av inflationsteori. Svängningarna i det tidiga universum var mindre kvantfluktuationer, men de expanderade snabbt i det tidiga universum på grund av en extremt snabb expansionsperiod. Astronomiska observationer sedan 1980 har stött förutsägelserna om inflationsteorin och det är nu konsensusbilden bland de flesta kosmologer.

Även om kosmologin har utvecklats mycket under det senaste århundradet finns det fortfarande flera öppna mysterier. I själva verket är två av de centrala mysterierna i modern fysik de dominerande problemen inom kosmologi och astrofysik:

• Dark Matter - Vissa galaxer rör sig på ett sätt som inte helt kan förklaras baserat på mängden materia som är observeras inom dem (kallas "synligt material"), men som kan förklaras om det finns en extra osynlig fråga inom galax. Denna extra materia, som beräknas ta upp cirka 25% av universumet, baserat på de senaste mätningarna, kallas mörk materia. Förutom astronomiska observationer, experiment på jorden som Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) försöker direkt observera mörk materia.
• Mörk energi - År 1998 försökte astronomer att upptäcka hur mycket universum bromsade... men de fann att det inte avtog. I själva verket var accelerationsgraden snabbare. Det verkar som om Einsteins kosmologiska konstant trots allt behövdes, men istället för att hålla universum som en i jämviktstillstånd så verkar det som om man skjuter isär galaxerna snabbare och snabbare när tiden går på. Det är okänt exakt vad som orsakar denna "avvisande gravitation", men namnet fysiker har gett det ämnet är "mörk energi." Astronomiska observationer förutspår att denna mörka energi utgör cirka 70% av universumets ämne.

Det finns några andra förslag för att förklara dessa ovanliga resultat, såsom Modified Newtonian Dynamics (MOND) och variabel hastighet av ljuskosmologi, men dessa alternativ betraktas som fränsteorier som inte accepteras bland många fysiker i fält.

Det är värt att notera att big bang-teorin faktiskt beskriver hur universum har utvecklats sedan dess strax efter skapandet, men kan inte ge någon direkt information om det faktiska ursprunget till universum.

Detta betyder inte att fysik inte kan berätta för oss något om universums ursprung. När fysiker utforskar den minsta rymden, finner de att kvantfysik resulterar i skapandet av virtuella partiklar, vilket bevisas av Casimir-effekt. I själva verket förutspår inflationsteorin att i frånvaro av materia eller energi, så skulle rymdtiden utvidgas. Tagen till nominellt värde ger detta därför forskare en rimlig förklaring till hur universum ursprungligen skulle kunna bli till. Om det fanns ett sant "ingenting", ingen materia, ingen energi, ingen rymdtid, då skulle ingenting vara instabilt och börja generera materia, energi och en expanderande rymdtid. Detta är den centrala avhandlingen av böcker som Grand Design och Ett universum från ingenting, som säger att universum kan förklaras utan hänvisning till en övernaturlig skapargud.

Det skulle vara svårt att överbetona den kosmologiska, filosofiska och kanske till och med teologiska betydelsen av att erkänna att jorden inte var centrum för kosmos. I denna mening är kosmologi ett av de tidigaste fälten som gav bevis som var i konflikt med den traditionella religiösa världsbilden. I själva verket har varje framsteg inom kosmologin verkat flyga inför de mest uppskattade antaganden som vi skulle vilja göra om hur speciell mänsklighet är som en art... åtminstone när det gäller kosmologisk historia. Denna passage från Grand Design förbi Stephen Hawking och Leonard Mlodinow uttrycker vältaligt den omvandling i tänkande som kommer från kosmologin:

Nicolaus Copernicus 'heliocentriska modell av solsystemet erkänns som den första övertygande vetenskapliga demonstrationen att vi människor inte är centrum för kosmos... Vi inser nu att Copernicus resultat endast är en av en serie kapslade demotioner som kastar långa antaganden om mänsklighetens speciella status: vi är inte belägna i solsystemets centrum, vi är inte belägna i galaxens centrum, vi är inte ligger i universums centrum, vi är inte ens gjorda av de mörka ingredienserna som utgör den stora majoriteten av universumets massa. Sådan kosmisk nedgradering... exemplifierar vad forskare nu kallar den kopernikanska principen: i det stora tingen av saker pekar allt vi vet på att människor inte har en privilegierad position.